CN116830386A - 人造介电材料以及由其制成的聚焦透镜 - Google Patents

人造介电材料以及由其制成的聚焦透镜 Download PDF

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Abstract

本文提供一种人造介电材料，包括由介电材料制成的多个分层薄片和多个设置于所述介电材料制成的薄片上的孔中的导电元件；其中，每个所述导电元件大致呈管状，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。本文还提供一种由该人造介电材料制成的透镜，和制备该材料的方法。这种人造介电材料和透镜可以提供理想良好的电介质、无线电波聚焦性能以及制造优势。

Description

人造介电材料以及由其制成的聚焦透镜
相关申请的交叉引用
本发明申请要求于2020年10月27日提交的新西兰专利申请769421的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及由导电元件制成的人造介电材料和由其制成的用于电磁波的聚焦透镜。
背景技术
现代移动通信市场需要多波束天线，以产生狭窄的波束并在不同的频段上运行。聚焦介电透镜是最有效的多波束天线的主要部分。聚焦透镜的直径必须是通过透镜传播的电磁波的几个波长，以产生一个狭窄的光束，因此一些用于移动通信的多波束天线的透镜直径超过1米。这种由通常的介电材料制成的透镜往往太重，因此人们已经做了很多研究来创造轻质和低损耗的透镜，以期提供聚焦透镜的理想特性。
最熟知的轻质人造介电材料由随机定向的导电部分与轻质介电材料制成的非导电部分混合组成。通过随机混合导电和非导电部分来制造具有理想介电性能的均匀材料是非常困难的，因此聚焦透镜是多波束天线中最昂贵的部件。为了改善聚焦透镜的性能并降低其成本，这种材料的开发正在不断进行。
美国专利申请号8518537B2描述了一种轻质人造介电材料，包括多个随机定向的轻质介电材料的微粒，如聚乙烯泡沫，含有放置在每个微粒内的导电纤维。
美国专利申请号2018/0034160A1描述了一种轻质人造介电材料，包括多个随机定向的轻质介电材料的多层微粒，层间含有薄薄的导电薄块。本申请中写道，这种多层微粒比含有导电纤维的微粒提供更高的介电常数。
美国专利申请号2018/0034160A1描述了其他种类的轻质人造介电材料，包括多个随机取向的微粒。一种描述的材料包括轻质介电材料的多层微粒，其层间含有导电薄块。
上述所有轻质人造介电材料都是由微粒随机混合而成的。需要消除材料内可能导致无源互调失真的金属对金属的接触，因此这种材料的制造包括许多阶段，其成本很高。
随机混合提供了由微粒组成的最终材料的各向同性的特性，但有些应用需要具有各向异性的介电材料。例如，由各向异性介电材料制成的圆柱形透镜可以减少通过圆柱形透镜的电磁波的去极化，改善多波束天线的交叉极化率(美国专利号9819094B2)。由各向同性的人造介电材料制成的圆柱形透镜会使通过这种透镜的电磁波产生去极化现象，因此包括这种透镜的天线会受到高水平的交叉极化的影响。
新西兰专利申请752904描述了一种提供各向异性特性并适合制造圆柱形透镜的轻质人工电介质材料。这种材料由短的导电管组成，管壁很薄，放在轻质介电材料的内部。这些管子被分层放置。一层由含有多个孔的轻质介电材料片组成。轻质介电材料可以是泡沫聚合物。管子被设置在轻质介电材料片上的孔中，里面含有空气。含有管子的层与不含管子的轻质电介质材料层相隔，所有导电管的轴线都与分层垂直。
这种结构对沿管子轴线传播的电磁波的有效介电常数(ε)可达2.5，但其对沿垂直轴线方向传播的电磁波的ε则明显较小。
人们希望得到一种改进的轻质人造介电材料，用于制造诸如聚焦透镜和无线电通信天线等设备。所述材料必须易于制造并具有可复制的特性。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种人造介电材料，包括由介电材料制成的多个分层薄片和多个设置于所述介电材料制成的薄片上的孔中的导电元件；其中，每个所述导电元件大致呈管状，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。
每一所述导电元件可以包括弯曲成大致呈管状的导电材料，可选地，每一所述导电元件可以包括附设在介电基材上的导电材料。
所述介电材料中的所述孔可以包含凸起部分，所述凸起部分设置于将所述导电元件在长度方向的边缘分隔开的所述狭缝中。
所述导电元件可以具有开槽，所述开槽可以沿与所述导电元件在长度方向的边缘平行。
所述导电元件的轴线指向至少两个不同的方向，所述至少两个不同的方向可以是正交的。
所述导电元件拥有至少两种不同形状，所述大致呈管状的导电元件的横截面可以是圆形和/或多边形。
所述介电材料是一种泡沫聚合物，所述泡沫聚合物可以由以下材料中择一制成，包括：聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、硅和聚四氟乙烯。
设置于同一分层中的所述导电元件可以形成正方形结构，其中，处于同一行或同一列的相邻所述导电元件之间具有相等的间隔。可选地，设置于同一分层中的所述导电元件可以形成蜂窝状结构，其中，任意相邻的所述导电元件之间具有相等的间隔。
设置于同一分层的所述导电元件的轴线可以均指向同一方向，要么与本分层垂直，要么与本分层平行。可选地，设置于同一分层的部分所述导电元件的轴线可以与本分层垂直，设置于同一分层的其他所述导电元件的轴线则与本分层平行。平行于本分层的导电元件的轴线可以指向不同方向，优选为正交方向。
本发明的第二方面提供了一种聚焦透镜，其包括本发明上述的人造介电材料。
每一分层所述导电元件可以形成向日葵状结构。可选地每一分层所述导电元件可以呈放射状的圆周排列。
所述透镜包括多个分层，一些分层中的所述导电元件的轴线仅与本分层垂直，一些分层中的所述导电元件的轴线仅与本分层平行。
与一个分层本层平行的所述导电元件的轴线以及与另一分层本层平行的所述导电元件的轴线可以互相垂直。
每一分层中可以均包括轴线与本分层垂直的导电元件以及轴线与本分层平行的导电元件。
所述透镜可以包括至少两种类型的分层，其中，第一分层中所述导电元件的轴线与本分层平行，第二分层中所述导电元件的轴线与第一分层中所述导电元件的轴线垂直。
在所述透镜的每一分层中，既包含排列在圆周上轴线与本分层垂直的所述导电元件，也包含排列在圆周上轴线与本分层平行的导电元件。至少一个圆周上的所述导电元件的轴线与本分层平行，且与本圆周平行。至少一个圆周上的所述导电元件的轴线与本分层平行，且与本圆周垂直。
所述透镜还可以包括沿所述圆柱状聚焦透镜的长轴上设置的介电棒。
本发明的第三方面提供了一种球状聚焦透镜，其包括本发明上述的人造介电材料。
本发明的第四方面提供了一种本文所述的人造介电材料的制备方法，包括，将导电元件设置于多层介电材料薄片中，并将所述薄片堆叠在一起；其中，包含有所述导电元件的所述介电材料薄片被不含有所述导电元件的所述介电材料薄片分隔开，所述导电元件的轴线指向至少两个不同的方向。
所述导电元件设置于所述介电材料薄片中原有的孔中。所述导电元件可以在设置于所述介电材料薄片中原有的孔中之时，将其从平面弯曲成所需的形状。
在所述导电元件的长度方向的两边缘之间留有的缝隙，阻止了环形电流在导电元件表面流动。
轻质介电材料中的孔可以包含凸起，所述凸起设置于所述导电元件在长度方向的边缘分隔狭缝中。
所述导电元件可以具有设置在表面的开槽，所述开槽用于减少其他方向上流动在导电元件表面的环形电流。设置在介电膜表面的导电材料增加了薄型导电元件的牢固性，同时不会过度增加重量。
导电元件被分层放置。一个分层由含有多个孔的轻质介电材料薄片组成。轻质介电材料可以是一种泡沫聚合物。包含有导电元件的分层可以被不含有导电元件的轻质介电材料分层所分隔。分隔的分层也可以包含小于用于设置导电元件的孔的直径的孔，以便轻质介电材料和其制成的透镜有空气流通。
通过提供上述人造电介质材料，本发明至少在一定程度上克服了已知轻质人造介电材料的缺陷，并提供了一种轻质人造介电材料，它对通过该材料传播的电磁波的方向和极化依赖性较小。
由于ε取决于穿过材料的电磁波方向与导电元件的轴线之间的角度，现有的人造介电材料并不适合许多应用要求各向同性的介电材料，其对电磁波的任何方向和极化都有相同的ε值。例如，球形龙伯透镜(Luneburglense)必须由各向同性的介电材料制成，其对电磁波的任何方向和极化都有相同的ε值，以保持通过球形透镜的电磁波的极化。因此，与已知的材料相比，有必要创造一种人造的介电材料，其能提供的ε对电磁波的方向和极化有更小的依赖性。同时，这种材料的制造必须比已知的轻质人工材料的制造更简单，这些材料是由相互分隔的含有导电元件的小型元件随机混合而成。
人造介电材料的聚焦性能取决于延迟系数其中μ是有效磁导率。当电磁波通过已知的人造电介质材料时，会激发导电材料中的电流，这种材料的μ小于1。当电磁波的磁场与导电管的轴线平行时，最大的圆形电流在导电管壁上流动，方向与导电管的轴线垂直。因此，这种极化的μ和n比其他极化的要小。含有导电管的人造介电材料受到这种影响，因此需要找到其他形状的导电元件来增加μ和延迟系数n。
本发明涉及的术语“管状的”或者“管子”应做广义理解，指的是一种细长的空心物体。这种物体的横截面可以是圆形，但同样也可以有其他横截面形状，包括但不限于方形、六边形或八边形。
附图说明
在进一步描述本发明时，仅以示例的方式参考附图，其中：
图1a-1c示出了现有的管状导电元件；
图2a-2c示出了本发明的导电元件，其沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙；
图3a示出了本发明的导电元件，其包括设置在介电薄膜表面的导电薄块，并沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙；
图3b示出了导电元件，其包括设置在介电薄膜表面的导电薄块，并在导电元件相对的边缘之间设置有开槽；
图3c示出了导电元件，其包括设置在介电薄膜表面的导电薄块，并在导电元件边缘设置有开槽；
图4a示出了用于生产本发明的导电元件的导电薄块；
图4b示出了用于生产本发明的导电元件的导电薄块，其在相对的边缘之间设置有开槽；
图4c示出了用于生产本发明的导电元件的设置在介电薄膜表面的导电薄块；
图4d示出了用于生产本发明的导电元件的设置在介电薄膜表面的导电薄块，且在相对的边缘设置有开槽；
图4e示出了用于生产本发明的导电元件的设置在介电薄膜表面的导电薄块，且在相对的边缘之间以及相对的边缘上都设置有开槽；
图4f示出了用于生产本发明的导电元件的设置在介电薄膜表面的导电薄块，且其上的开槽指向不同方向；
图5a示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均垂直于本分层，且相邻行之间的距离以及同一行中相邻导电元件的距离均相等；
图5b示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均垂直于本分层，相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离，且任何相邻导电元件之间的距离均相等；
图5c示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均平行于本分层，且轴线之间也互相平行；
图5d示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均平行于本分层，且轴线之间也互相平行，相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离；
图5e示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其一半的轴线均垂直于本分层，另一半的轴线均平行于本分层，且每一行中，轴线垂直于本分层的导电元件与轴线平行于本分层的导电元件交替出现；
图5f示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其一半的轴线均垂直于本分层，另一半的轴线均平行于本分层，且每一行中，轴线垂直于本分层的导电元件与轴线平行于本分层的导电元件交替出现，且相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离；
图5g示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其三分之一的轴线均垂直于本分层，其他的轴线均平行于本分层，在轴线平行于本分层的导电元件中，其一半的轴线与另一半的轴线互相垂直；
图5h示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其三分之一的轴线均垂直于本分层，其他的轴线均平行于本分层，在轴线平行于本分层的导电元件中，其一半的轴线与另一半的轴线互相垂直，且相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离；
图6a和6b示出了在轻质介电材料中用于设置导电元件的孔的俯视图，其横截面为圆形，并沿侧壁设置有凹槽用于与带有狭缝的导电元件相卡合；
图7a示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有方形的横截面，并在方形一侧的中间具有狭缝，且沿行排列的相邻导电元件之间的距离均相等；
图7b示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有方形的横截面，并在方形的一角具有狭缝，且相邻行之间沿行排列的导电元件互相错开了导电元件半个直径的距离，任何相邻导电元件之间的距离均相等；
图7c示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有六边形的横截面，并在六边形的一角具有狭缝，且任何相邻导电元件的任何边缘之间的距离均相等；
图7d示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有八边形的横截面，并在八边形的一角具有狭缝，且沿行排列的导电元件相邻行之间的距离以及同一行中相邻导电元件的距离均相等；
图8示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其导电元件具有圆形的横截面，且导电元件上的狭缝设置于靠近柱形半径上；
图9a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层垂直，相邻导电元件之间的距离均相等；
图9b示出了圆柱状透镜其二分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层平行，相邻导电元件之间的距离均相等；
图9c示出了圆柱状透镜其三分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层平行并垂直于各行，相邻导电元件之间的距离均相等；
图9d示出了圆柱状透镜的横截面，其包含六个分层对应了图9a至9c；
图10a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，各导电元件呈放射状的圆周排列，且环绕一个中心导电元件，中心的导电元件的轴线垂直于本分层，呈放射状圆周排列的各导电元件的轴线平行于本分层且垂直于本圆周；
图10b示出了圆柱状透镜的横截面，其包含四个分层对应了10a和10c，第一分层和第三分层是相同的，第二分层和第四分层是相同的，因此这样的透镜是由两种不同分层组装的；
图10c示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，各导电元件呈放射状的圆周排列，且环绕一个中心导电元件，中心的导电元件的轴线垂直于本分层，呈放射状圆周排列的各导电元件的轴线平行于本分层且平行于本圆周；
图11a-11c示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一分层具有狭缝的若干导电元件沿圆周排列，导电元件的轴线指向两个互相正交的方向；
图11a示出了其一分层的俯视图，导电元件的轴线沿圆周排列，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的轴线与本圆周垂直，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的轴线与本分层垂直；
图11b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的四个分层对应了11a和11c，第一分层和第二分层中具有设置在不同圆周上的不同方向的导电元件，第一分层和第三分层是相同的并对应了图11a，第二分层和第四分层是相同的并对应了图11c，因此这样的透镜是由两种不同的分层组装的；
图11c示出了其二分层的俯视图，导电元件的轴线沿圆周排列，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的轴线与本圆周平行，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的轴线与本分层垂直；
图12a和12b示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一层具有狭缝的若干导电元件环绕本层的中心轴线沿圆周排列；
图12a示出了圆柱状透镜的其一分层的俯视图，导电元件沿圆周排列，其轴线与本分层垂直，其二分层的俯视图如图10a所示，其三分层的俯视图如图10c所示；
图12b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的六个分层对应了图12a，10a和10c，第一分层和第四分层是相同的并对应了图12a，第二分层和第五分层是相同的并对应了图10a，第三分层和第六分层是相同的对应了图10c，因此这种透镜是由三种不同分层组装的；
图13a和13b示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一分层具有狭缝和圆形横截面的若干导电元件沿圆周排列，导电元件的轴线指向两个互相正交的方向；
图13a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其导电元件形成的结构如图5e和5f所示，导电元件环绕本分层的中心轴线呈圆周排列，每一圆周上既包含轴线垂直于本分层的导电元件，也包含轴线平行于本分层的导电元件；
图13b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的四个分层，第一分层的导电元件中平行于本分层的轴线与本圆周平行，第二分层的导电元件中平行于本分层的轴线与本圆周垂直，第一分层和第三分层是相同的，第二分层和第四分层是相同的，因此这种透镜是由两种不同分层组装的；
图14a和14b示出了本发明的另一实施例，根据本发明提供的轻质人造介电材料制成的圆柱状透镜，包括了由介电材料制成的介电棒设置在圆柱状透镜的中心，这样的介电棒增加了圆柱状透镜中心的延迟系数n，并为轻质介电薄片形成透镜提供了机械支持，圆柱状透镜的各分层如图14a和14b所示，其与图13a和13b中示出的圆柱状透镜的各分层拥有相同的结构；
图15a和15b示出了本发明的另一实施例，圆柱状透镜的每一分层包括了轴线沿三个互相正交方向的沿圆周排列的若干导电元件；
图15a示出了其一分层的俯视图，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的导电元件的轴线与本圆周平行，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的导电元件的轴线与本圆周垂直，沿透镜外轮廓向内数的第三个圆周的导电元件的轴线与本分层垂直，第一、第四和第七个圆周的导电元件的轴线与本圆周平行，第二、第五和第八个圆周的导电元件的轴线与本圆周垂直，第三、第六和第九个圆周的导电元件的轴线与本分层垂直且这些导电元件的长度相较构成本分层的其他导电元件更短；
图15b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括了四个如图15a中相同的分层，因此这种透镜仅由一种类型的分层组装而成。
在所有图示中，剖面线A-A是用来表示同一组对应的图中的截面方向，例如图9a-9d所示。
具体实施方式
如图所示，人造介电材料包括多个大致呈管状的物体，在本文中称为导电元件，其设置于轻质介电材料制成的薄片上的孔中。
每个导电元件大致呈管状，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。优选的，导电元件是通过弯曲一种导电薄块制成所需的形状，大致呈管状的导电元件的横截面可以是大致圆形或其他多边形，例如方形、六边形或八边形。
除了沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙之外，导电元件可以包括一个或更多的开槽用来在导电元件上形成多个缝隙。所述开槽可以在导电元件上延伸，但不能延伸到导电元件的边缘，或者也可以设置在导电元件上的一个或多个边缘。通常情况下，导电元件是由一块合适的导电金属制成的，在此称为导电薄块。所述导电金属，例如铝，通过手工或机械手段被弯曲成所需的形状。可选地，所述导电金属还可以是铜、镍、银、金或其他合适的导电金属。
可选地，所述导电材料可以包括一种附设在轻质弹性介电材料制成的薄膜上的的导电薄块，如此其可以被制成所需的形状。一种优选的例子是使用涂有金属铝的聚乙烯薄膜。
当然，其他的介电基材也可以被用来与合适的导电材料结合。介电材料可以附上一层薄薄的导电材料以形成导电元件，或者在介电材料处附上一层导电金属也有相同的作用。
导电元件被分层放置。一个分层包括一张轻质介电材料的薄片，其包含多个孔，孔中填充了导电元件。轻质介电材料可以是一种泡沫聚合物。优选地，所述泡沫聚合物由以下材料中择一制成，其包括：聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、硅和聚四氟乙烯。包含有导电元件的介电材料薄片可以被不含有导电元件的介电材料薄片分隔开。用来分隔的分层可以是泡沫聚合物或者一片薄薄的介电薄膜。分隔的分层也可以包含小于用于设置导电元件的孔的直径的孔，以便轻质介电材料有空气流通。
有两种人造介电材料的样品被制成用来比较本发明的材料和现有材料的特性。第一种样品是由现有材料制成的，包含如图1a所示形状的短管导电元件。第二种样品是由本发明提供的材料制成的，包含如图2a所示的导电元件被弯曲成短管形状，从而使其沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。两种样本的管子具有相同的尺寸且放置的间隔也相同。当电磁波的磁场方向平行于导电元件的轴线时，磁学特性的测量显示：相比现有包含没有狭缝的导电元件的人造介电材料，包含具有狭缝的导电元件的人造介电材料有更高的μ，现有人造介电材料的测量样本的μ＝0.69。图1b中示出了，当电磁波的磁场方向与导电元件的轴线平行时，现有的导电元件管壁上有电流流动。
相较之下，本发明的人造介电材料的测量样本的μ＝0.87。图2b中示出了，在导电元件自身长度方向开设的狭缝，使其长度方向的两边缘之间留有的缝隙，阻止了电流在导电元件表面流动。
当电磁波的磁场方向垂直于导电元件的轴线时，现有材料和本发明的材料之间的磁学特性差异较小。现有人造介电材料的μ＝0.81。图1e示出了，当电磁波的磁场方向垂直于导电元件的轴线时，电流在导电元件管壁的流动。本发明提供的人造介电材料的μ＝0.84。图2c示出了，当电磁波的磁场方向垂直于导电元件的轴线时，电流在导电元件管壁的流动。
相比于现有的人造介电材料，本发明提供的人造介电材料有更大的μ，相应的也有更大的延迟系数n，因为两种材料都有大致相同的ε。
相比于现有的人造介电材料，本发明提供的人造介电材料的n对电磁波的极化有更少的依赖性，因为提供的材料的μ对电磁波的极化有更少的依赖性。
人造介电材料的波阻抗(Z)通过有效介电常数ε和有效磁导率μ来表示，其中这个公式示出了Z随着μ的增加而增加，因此相比现有材料，本发明的人造介电材料有更大的Z。结果是，来自本发明提供的材料的反射小于来自现有材料的反射。
图3a示出了本发明的一实施例，其中导电元件是由一种附设有一种介电薄膜的导电材料制成。对于相同厚度的介电元件来说，这样的设置可以增加导电元件的坚固性和弹性，这也意味着所需的导电材料减少了。因此，包括这种介电薄膜的导电元件可以仅制成几微米的厚度，但根据使用需求可以更厚。使用这种在介电薄膜上覆有导电材料的导电元件，可以使本发明提供的人造介电材料在相同厚度的前提下减少重量，其中介电材料的重量小于导电材料的重量。
图3b示出了本发明的另一实施例，其中导电元件上包含了多个开槽，但并没有延伸至导电元件的边缘。当磁场方向垂直于导电元件的轴线，且该极化给本发明提供的材料提高了μ时，这样的开槽抑制了由电磁波激发的环形电流。图4b，4e和4f中示出了用于生产本发明导电元件的具有开槽的导电薄块。
图3c示出了本发明的另一实施例，其中导电元件上包含了多个开槽，其设置在导电元件的边缘处，如图2c所示，这样的开槽也可以抑制环形电流。
图4a-4f中示出了本发明中用于生产导电元件的导电薄块的不同形状。图4a示出了一种原始的导电薄块。图4b示出了一种在中间设有开槽的导电薄块，但开槽没有延伸到薄块的边缘。图4c示出了一种设置在介电薄膜表面的导电薄块。图4d示出了一种设置在介电薄膜表面的导电薄块，且在导电薄块的边缘设置有开槽。图4e示出了一种示出了一种设置在介电薄膜表面的导电薄块，且在导电薄块的边缘设置有开槽，以及不延伸到薄块边缘的开槽。图4f示出了一种示出了一种设置在介电薄膜表面的导电薄块，且在导电薄块的边缘设置有开槽，以及不延伸到薄块边缘的开槽且这些开槽朝向不同方向。
如图4a-4f中所示的薄块可以被弯曲成大致呈管状的导电元件，并沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。
在人造介电材料中，导电元件的轴线设置为不同的方向。一些导电元件的轴线垂直于他们所处的分层(如图9a所示)，另一些导电元件的轴线平行于所述的分层(如图9b和9c所示)。这些平行于本层的导电元件的轴线也可以设置为互相垂直。因此导电元件的轴线潜在地有三个互相正交的方向。结果是，本发明提供的轻质人造介电材料的介电性能对穿过材料的电磁波的方向和极化的依赖性更小。
同一层中的导电元件可以有相同方向的轴线(如图12a所示)或者不同方向的轴线(如图13a所示)。互相层叠的分层可以包含具有相同结构和方向或不同结构和方向的导电元件。例如，为了增加圆圈之间的距离，放置在带有导电元件且尺寸相同的相邻分层或薄片上的放射状圆圈数量可以不相同，类似的，对于蜂窝状结构的布置，同一分层中相邻导电元件之间的距离也可以不同。
本发明提供的人造介电材料的性能，例如介电常数，其取决于导电元件的朝向、导电元件之间的间距以及分层之间的间距。因此，相比于现有材料，本发明提供的人造介电材料包括的介电元件上有狭缝、开槽、同一分层上轴线的不同方向，以及各个分层中不同的结构，为达到理想的介电性能创造了机会。例如，本发明提供的人造介电材料的延迟系数n对穿过该材料的电磁波的方向和极化的依赖性是可以减少的。结果是，本发明提供的人造介电材料可以被用于制造许多种类的聚焦透镜和天线。
图5a-5h中示出了本发明中的多个实施例，其中在同一分层中具有圆形横截面的导电元件可以形成不同的结构或朝向。图5a示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均垂直于本分层，且相邻行之间的距离以及同一行中相邻导电元件的距离均相等。
图5b示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均垂直于本分层，相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离，且任何相邻导电元件之间的距离均相等。
图5c示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均平行于本分层，且轴线之间也互相平行。
图5d示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其轴线均平行于本分层，且轴线之间也互相平行，相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离。
图5e示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其一半的轴线均垂直于本分层，另一半的轴线均平行于本分层，且每一行中，轴线垂直于本分层的导电元件与轴线平行于本分层的导电元件交替出现。
图5f示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其一半的轴线均垂直于本分层，另一半的轴线均平行于本分层，且每一行中，轴线垂直于本分层的导电元件与轴线平行于本分层的导电元件交替出现，且相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离。
图5g示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其三分之一的轴线均垂直于本分层，其他的轴线均平行于本分层，在轴线平行于本分层的导电元件中，其一半的轴线与另一半的轴线互相垂直。
图5h示出了其一分层中沿行排列的导电元件的俯视图，其三分之一的轴线均垂直于本分层，其他的轴线均平行于本分层，在轴线平行于本分层的导电元件中，其一半的轴线与另一半的轴线互相垂直，且相邻行之间互相错开了导电元件半个直径的距离。
图6a和6b示出了在轻质介电材料中用于设置导电元件的孔的俯视图，其横截面为圆形。当导电元件的轴线设置为与本层垂直时，如图6a所示的孔包含沿孔壁的凸起，所述凸起用于与导电元件中的狭缝卡合，使导电元件沿长度方向的边缘分隔。当导电元件的轴线设置为与本层平行时，如图6b所示的孔包含用于分隔导电元件沿长度方向的边缘的分隔壁。所述分隔壁将用于设置导电元件的每个孔分成了两个部分。如图9d所示的横截面也示出了这种安排。可选地，在介电材料中不包含凸起或者分隔壁的孔也可以使用。
图5a-5h中示出了导电元件的横截面大体上呈圆形，当然其他形状横截面的导电元件也是可以用的，例如多边形。图7a-7d中示出了导电元件的多种形状横截面的例子，其均在沿自身长度方向包含狭缝，以在长度方向的两边缘之间留有缝隙。
图7a示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有方形的横截面，并在方形一侧的中间具有狭缝，且沿行排列的相邻导电元件之间的距离均相等。相比于圆形横截面的导电元件，方形横截面的导电元件可以提供更大的ε但是它们的质量更大。
图7b示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有方形的横截面，并在方形的一角具有狭缝，且相邻行之间沿行排列的导电元件互相错开了导电元件半个直径的距离，任何相邻导电元件之间的距离均相等。
图7c示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有六边形的横截面，并在六边形的一角具有狭缝，且任何相邻导电元件的任何边缘之间的距离均相等。
图7d示出了其一分层导电元件的俯视图，其具有八边形的横截面，并在八边形的一角具有狭缝，且沿行排列的导电元件相邻行之间的距离以及同一行中相邻导电元件的距离均相等。
相邻分层的导电元件，其互相堆叠的导电元件可以设置在相同的轴线上，也可以互相错开拥有不同的轴线。
放置在同一层的导电元件可以形成不同的结构来得到合适的性能。这包括方形结构，如图6a和6c所示，其在同一行或同一列的相邻导电元件的距离都相等。可选地，在同一层中形成蜂窝状或六边形结构的导电元件，如图9a-9c所示，任何相邻导电元件之间的距离都相等。可选的，同一层的导电元件形成向日葵状的结构，如图11所示构成了多个同心圆的形式。
以下结合附图对本发明提供的人造介电材料制成的圆柱状透镜的多个实施例进行描述。
图8示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其导电元件具有圆形的横截面，且导电元件上的狭缝设置于靠近柱形半径上。导电元件之间的距离越靠近分层的边缘就越大，也就是说，圆柱状透镜的延迟系数n越靠近分层的边缘就越小。
图9a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层垂直，相邻导电元件之间的距离均相等。
图9b示出了圆柱状透镜其二分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层平行，相邻导电元件之间的距离均相等。
图9c示出了圆柱状透镜其三分层的俯视图，其具有狭缝及圆形横截面的导电元件沿行排列，导电元件的轴线均与本分层平行并垂直于各行，相邻导电元件之间的距离均相等。
图9d示出了圆柱状透镜的横截面，其包含六个分层对应了图9a至9c。第一分层和第四分层是相同的(对应图9c)，第二分层和第五分层是相同的(对应图9b)，第三分层和第六分层是相同的(对应图9a)，因此这样的透镜是由三种不同分层组装的。
对于其他应用上来说，本发明中处于同一分层的导电元件可以形成其他结构，透镜也可以包括其他数量的不同分层。例如，图10a-10c中示出了一种圆柱状透镜是由两种不同分层组装的。
图10a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，各导电元件呈放射状的圆周排列，且环绕一个中心导电元件，中心的导电元件的轴线垂直于本分层，呈放射状圆周排列的各导电元件的轴线平行于本分层且垂直于与本圆周相交点的切线。图10c示出了导电元件形成的其二分层，其二分层的导电元件与其一分层的导电元件相对设置，但其二分层中，除了透镜中心的导电元件，其他导电元件的轴线均与本圆周平行。
图10c示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，各导电元件呈放射状的圆周排列，且环绕一个中心导电元件，中心的导电元件的轴线垂直于本分层，呈放射状圆周排列的各导电元件的轴线平行于本分层且平行于本圆周相交点的切线。
图10b示出了圆柱状透镜的横截面，其包含四个分层对应了10a和10c，第一分层和第三分层是相同的(对应图10a)，第二分层和第四分层是相同的(对应图10c)，因此这样的透镜是由两种不同分层组装的。
图11a-11c示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一分层具有狭缝的若干导电元件沿圆周排列，导电元件的轴线指向两个互相正交的方向。
图11a示出了其一分层的俯视图，导电元件的轴线沿圆周排列，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的轴线平行于本分层且与本圆周的切线垂直，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的轴线与本分层垂直。
图11c示出了其二分层的俯视图，导电元件的轴线沿圆周排列，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的轴线与本圆周的切线平行，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的轴线与本分层垂直。
图11b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的四个分层对应了11a和11c，第一分层和第二分层中具有设置在不同圆周上的不同方向的导电元件，第一分层和第三分层是相同的并对应了图11a，第二分层和第四分层是相同的并对应了图11c，因此这样的透镜是由两种不同的分层组装的。
图12a和12b示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一层具有狭缝的若干导电元件环绕本层的中心轴线沿圆周排列
图12a示出了圆柱状透镜的其一分层的俯视图，导电元件沿圆周排列，其轴线与本分层垂直，其二分层的俯视图如图10a所示，其三分层的俯视图如图10c所示。
图12b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的六个分层对应了图12a，10a和10c，第一分层和第四分层是相同的并对应了图12a，第二分层和第五分层是相同的并对应了图10a，第三分层和第六分层是相同的对应了图10c，因此这种透镜是由三种不同分层组装的。
图13a和13b示出了本发明另一实施例中的圆柱状透镜，其每一分层具有狭缝和圆形横截面的若干导电元件沿圆周排列，导电元件的轴线指向两个互相正交的方向。
图13a示出了圆柱状透镜其一分层的俯视图，其导电元件形成的结构如图5e和5f所示，导电元件环绕本分层的中心轴线呈圆周排列，每一圆周上既包含轴线垂直于本分层的导电元件，也包含轴线平行于本分层且与本圆周的切线平行的导电元件。
图13b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括导电元件的四个分层，第一分层的导电元件中平行于本分层的轴线与本圆周的切线平行，第二分层的导电元件中平行于本分层的轴线与本圆周的切线垂直，第一分层和第三分层是相同的，第二分层和第四分层是相同的，因此这种透镜是由两种不同分层组装的。
图14a和14b示出了本发明的另一实施例，根据本发明提供的轻质人造介电材料制成的圆柱状透镜，包括了由介电材料制成的介电棒设置在圆柱状透镜的中心，这样的介电棒增加了圆柱状透镜中心的延迟系数n，并为轻质介电薄片形成透镜提供了机械支持，圆柱状透镜的各分层如图14a和14b所示，其与图13a和13b中示出的圆柱状透镜的各分层拥有相同的结构。
图15a和15b示出了本发明的另一实施例，圆柱状透镜的每一分层包括了轴线沿三个互相正交方向的沿圆周排列的若干导电元件。
图15a示出了其一分层的俯视图，沿透镜外轮廓向内数的第一个圆周的导电元件的轴线平行于本圆周的切线，沿透镜外轮廓向内数的第二个圆周的导电元件的轴线垂直于本圆周的切线，沿透镜外轮廓向内数的第三个圆周的导电元件的轴线与本分层垂直，第一、第四和第七个圆周的导电元件的轴线平行于各自圆周的切线，第二、第五和第八个圆周的导电元件的轴线垂直于各自圆周的切线，第三、第六和第九个圆周的导电元件的轴线与本分层垂直且这些导电元件的长度相较构成本分层的其他导电元件更短。
图15b示出了圆柱状透镜的横截面，其包括了四个如图15a中相同的分层，因此这种透镜仅由一种类型的分层组装而成。
上述的圆柱状透镜包含大致呈管状的导电元件，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。然而，其他形状的导电元件，如图7a-7d所示的也可以做为导电元件使用。这些导电元件还可以包含开槽，如图4b、4d、4e和4f所示的也可以用于本发明的人造介电材料及由其制成的透镜。
聚焦透镜可以通过本发明提供的人造介电材料制成，但不仅限于上述的方法或展示的附图。聚焦透镜中的各个分层也可以被制成其他的结构或朝向。
如图5g和5h所示的结构包含的各行导电元件中，导电元件的轴线朝向是相同类型，都指向三个不同的互相正交的方向。如果圆柱状透镜的同一分层中导电元件呈圆周排列，那么每个圆周都可以包含轴线指向三个互相正交方向的导电元件。这样的透镜可以仅由一种类型的分层组装而成。
构成一个分层的导电元件可以是相同或不同的形状或尺寸，例如，在单一分层中包含大致呈圆形和六边形横截面的导电元件。同样的，透镜也可以包括多个分层，每个分层仅包括一种类型的导电元件。例如，如图8和9a所示，一个分层的导电元件只有大致呈圆形的横截面，随后一个分层的导电元件是大致呈圆形、六边形、方形或者八边形的横截面，或者其他任何单一类型导电元件分层的组合。
导电元件之间的距离可以相等从而构成一种结构，其能沿着一个分层提供连续一致的延迟系数n。导电元件之间的距离也可以不相等从而构成多块区域，其沿着一个分层上提供不同的延迟系数n。
本发明提供的人造介电材料包括的导电元件具有三个互相正交的轴线，是特别适合生产球形龙伯透镜的，其必须由各向同性的介电材料制成，对电磁波任何方向和极化都要有相同的延迟系数n。相反地，例如在新西兰专利号752904中图5-7中所示的分层制成的现有材料，其由轴线均垂直于分层的导电元件构成，由于延迟系数n取决于电磁波穿过材料的方向和导电元件轴线方向的夹角，因此这样的人造介电材料并不适合许多应用，如需求各向同性的介电材料，且要对电磁波任何方向和极化都要有相同的延迟系数n。
本发明还涉及一种制造上述人造介电材料的方法，其可以一直用于包含上述人造介电材料构成的多个分层的透镜的生产。所述方法包括：将本发明所述的导电元件设置于多层介电材料薄片的孔中，并将所述薄片堆叠在一起，其中，包含有所述导电元件的所述介电材料薄片被不含有所述导电元件的所述介电材料薄片分隔开，所述导电元件的轴线指向至少两个不同的方向。可选地，也可以不需要不包含导电元件的薄片，可以在包含导电元件上的薄片开设不穿透薄片的孔，如此，每层的导电元件也可以根据需要被分隔开。
所述导电元件可以设置于所述介电材料薄片中原有的孔中。进一步地，制造工艺可能需要，在将导电元件设置于所述介电材料薄片中原有的孔中之时，将其从平面弯曲成所需的形状。可选的，导电元件也可以被预先成型成所述的形状再在组装时设置于孔中。
本发明还涉及一种使用本发明聚焦透镜聚焦无线电波的方法，优选的，这种透镜可以是圆柱状的、球状的或者其他形状。使用这种包括本发明的人造介电材料和导电元件的聚焦透镜，可以在减少对电磁波的方向和极化依赖的情况下对无限电波进行聚焦。
虽然本发明的一些优选方面已经通过举例的方式进行了描述，但应该理解的是，在不脱离本说明书所要求的发明范围的情况下，仍可以进行修改和/或改进。
本文中使用的术语“包括”及其其他变位，应作非排他性解释，即表示“包含”或“含有”。
应该理解的是，如果这里提到任何现有技术出版物，这种参考并不构成承认该出版物构成新西兰或任何其他国家本领域常见常识的一部分。

Claims (34)

1.一种人造介电材料，其特征在于，包括由介电材料制成的多个分层薄片和多个设置于所述介电材料制成的薄片上的孔中的导电元件；
其中，每个所述导电元件大致呈管状，且沿自身长度方向开设有一条狭缝，从而在长度方向的两边缘之间留有缝隙。
2.根据权利要求1所述的人造介电材料，其特征在于，每一所述导电元件包括弯曲成大致呈管状的导电材料。
3.根据权利要求1或2所述的人造介电材料，其特征在于，每一所述导电元件包括附设在介电基材上的导电材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述介电材料中的所述孔包含凸起，所述凸起设置于用于将所述导电元件在长度方向的边缘分隔开的所述狭缝中。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述导电元件具有开槽。
6.根据权利要求5所述的人造介电材料，其特征在于，所述开槽沿与所述导电元件在长度方向的边缘平行设置。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述导电元件的轴线指向至少两个不同的方向。
8.根据权利要求7所述的人造介电材料，其特征在于，所述至少两个不同的方向都是正交的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述导电元件拥有至少两种不同形状。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述导电元件的横截面是圆形和/或多边形。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，所述介电材料是一种泡沫聚合物。
12.根据权利要求11所述的人造介电材料，其特征在于，所述泡沫聚合物由以下材料中择一制成，其包括：聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨酯、硅和聚四氟乙烯。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层中的所述导电元件形成正方形结构，其中，处于同一行或同一列的相邻所述导电元件之间具有相等的间隔。
14.根据权利要求1-12中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层中的所述导电元件形成蜂窝状结构，其中，任意相邻的所述导电元件之间具有相等的间隔。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层的所述导电元件的轴线均指向同一方向。
16.根据权利要求15所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层的所述导电元件的轴线均与本分层垂直。
17.根据权利要求15所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层的所述导电元件的轴线均与本分层平行。
18.根据权利要求1-14中任一项所述的人造介电材料，其特征在于，设置于同一分层的部分所述导电元件的轴线与本分层垂直，设置于同一分层的其他所述导电元件的轴线与本分层平行。
19.根据权利要求18所述的人造介电材料，其特征在于，与本分层平行的所述导电元件的轴线指向不同方向。
20.一种圆柱状聚焦透镜，其特征在于，包括权利要求1-19中任一项所述的人造介电材料。
21.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，每一分层所述导电元件形成向日葵状结构。
22.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，每一分层所述导电元件呈放射状的圆周排列。
23.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，包括多个分层，一些分层中的所述导电元件的轴线仅与本分层垂直，一些分层中的所述导电元件的轴线仅与本分层平行。
24.根据权利要求23所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，与一个分层本层平行的所述导电元件的轴线以及与另一分层本层平行的所述导电元件的轴线互相垂直。
25.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，每一分层中均包括轴线与本分层垂直的导电元件以及轴线与本分层平行的导电元件。
26.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，包括至少两种类型的分层，其中，第一分层中所述导电元件的轴线与本分层平行，第二分层中所述导电元件的轴线与第一分层中所述导电元件的轴线垂直。
27.根据权利要求20所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，在每一分层中，既包含排列在圆周上轴线与本分层垂直的所述导电元件，也包含排列在圆周上轴线与本分层平行的导电元件。
28.根据权利要求27所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，至少一个圆周上的所述导电元件的轴与本分层所在平面平行，且与本圆周平行。
29.根据权利要求27或28所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，至少一个圆周上的所述导电元件的轴与本分层所在平面垂直，且与本圆周垂直。
30.根据权利要求20-29中任一项所述的圆柱状聚焦透镜，其特征在于，沿所述圆柱状聚焦透镜的长轴上设置有介电棒。
31.一种球状聚焦透镜，其特征在于，包括权利要求1-19中任一项所述的人造介电材料。
32.一种根据权利要求1所述的人造介电材料的制备方法，其特征在于，包括，将导电元件设置于多层介电材料薄片中，并将所述薄片堆叠在一起；
其中，包含有所述导电元件的所述介电材料薄片被不含有所述导电元件的所述介电材料薄片分隔开，所述导电元件的轴线指向至少两个不同的方向。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述导电元件设置于所述介电材料薄片中原有的孔中。
34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述导电元件在设置于所述介电材料薄片中原有的孔中之时，从平面弯曲成所需的形状。
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